（机械工程专业论文）电控共轨柴油发动机低排放优化匹配与试验研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 燃油喷射特性对柴油发动机燃烧有着直接和决定性的影响，研究燃油喷射特 性对发动机性能与排放的影响对于柴油机的低排放开发有着重要的意义。 本文通过燃油喷射特性对发动机燃烧产生影响的分析，得出了燃油喷射特性 各参数对发动机性能及排放的影响趋势，并对燃油喷射各特性参数的最优值进行 了定性分析。通过燃油喷射特性对柴油发动机性能及排放试验的试验研究，验证 了理论分析的结论，得出了更深层次的结论，并最终总结出了各燃油喷射特性参 数的标定思想和策略。 通过试验研究得到如下结论：主喷优化时，在不引起燃油消耗率恶化的前提 下，倾向于选用较高喷射压力和小的供油提前角的组合；预喷优化时，倾向于选 用低的预喷油量，预喷正时的优化要结合n 0 x 排放和燃油消耗率进行；后喷优化 时，在不引起燃油消耗率恶化的范围内，倾向于选用大的后喷油量和长的主、后 喷间隔。柴油发动机的低排放标定与优化工作是一项繁杂而巨大的工程，必须建 立合理的标定开发程序。因此，本文还根据燃油喷射特性各参数对发动机性能及 排放影响的特点对柴油发动机低排放标定中的燃油喷射特性标定程序进行了探讨， 并据此制定了合理豹标定流程。 根据论文所获得的燃油喷射特性标定策略和标定开发流程，试验样机的低排 放标定工作顺利完成，本文研究所得出的结论对其它柴油发动机的低排放开发有 着重大的指导与借鉴意义。 关键词：柴油发动机性能排放燃烧燃油喷射特性预喷 后喷 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t f u e li n j e c i o nc h a r a c t e r sh a v ed i r e c ta n dd e c j s j v ei n f l u e n c ef o rt h ec o m b u s t i o no f d i e s e ie n g i n e ，s oi t s v e r yi m p o r t a n tf o rt h er e a e a r c ho ft h ee f f e do ff u e li n j e c t i o n c h a r a c t e r sf o rd i e s e l e n g i n e sp e r f o r m a n c e a n de m i s s i o n d u r i n g l o we m i s s i o n d e v e l o p m e n t 1 1 l i st h e s i sd e s c r i b e st h ea f f e c tt r e n do fi i 巧e c t i o nc h a r a c t e r sf b rd i e s e l e n g i n e s p e r f o r m a n c ea n de m i s s i o nf m m t h et h e o r e t i c a l l ya n a l y s eo ft h ei n n u e n c eo fi n j e c t i o n c h a r a c t e r sf o rc o m b u s n o n ，a n dt h eq u a l j l a t i v ea n a l y s i sa b o u tf h eo p t i m i z a n o no fa l 】 i n j e c 虹o nc h a r a c t e r sa j s oc o n d u c t e di nt h i st h e s i s t h et h e o r e t i c a l l ya n a l y s ew a sp r o v e d f r o mm ea f t e fr e s e a r c ha te n 西n et e s tb e n c h b a s e do nt h ed e e pc o n d u s i o nf r o mt h et e s t f e s e a r c h ，t h ec a l i b r a t i o ns t f a t e g yo fa l li n j e c t i o nc h a r a c t e r sw e r es u m e du pa tt h ee n d f o l l o w i n ga r et h ec o n c l u s i o nf r o mt h er e c a r c hi nt h i st h e s i s p r e f e rt ou s et h e c o m b i n a t i o no fh i 曲i n j e c t i o np r e s s u ea n ds m a l li n j e c t i nd e g r e eb e f o rt d c i ft h ef i l e l c o n s u m p t i o ni na c c e p t a b l ea r e ad u r i n gm a j n e c t j 彻o p t i m i z e p r e f e ou s el o w p i l 。t i n j e c t i o nq u a n t i t y ， a n d 出eo p “m i z a t i o no fp i l o fi n j e c t i o nt i m i n gm u s tc o m b i n ew i t h n o xe m i s s i o na n df u e ic o n s u m p t i o n p r e f e rt ou s eh i g hp o s ti n j e c t i o n q u a n t i t ya n d l o n gi n t e r v a lb e t w e e nm a i ni n j e c t i o na n dp o s ti n j e c t i o ni ft h ef u e lc o n s u m p t i o ni n a c c e p t a b l ea f e ad u r i n gp o s ti 1 1 _ j e c t i o n 叩t i m i z e t h el o we m i s s i o nc a l i b r a t i o nf o rd i e s e l e n g i n ei sav e r yc o m p l e xa n dc o l o s s a l w o r k ，s oi ti sv e r yi m p o r t a n tf b rs e t i n gu pal o g i c a lc a l i b r a t i o np r o c e s sd u “n gt h el o w e m j s s j o n d e v e i 叩m e n t t 1 1 ec a l i b r a d o np m c e s sw a sd i s c u s s e db a s e do nc h e c h a r a c c e r i s t i cb e t w e e na i lo ft h ei 1 1 j e c t i o nc h a r a c t e f sa n dd i e s e l e n g i n e sp e r f o r m a n c e a n de m i s s i o n ，a i l da1 0 9 i c a lc a l i b r a t i o np r o c e s sw a ss e t t e du ps u c c e s s f u l l ya tt h ee n d a c c o r d i n gt om ec a l i b r a t i o np r o c e s sa n dc a l i b r a t i o ns t r a t e g y ，m ee n g i n er e a c h e d 一一 i i 华中科技大学硕士学位论文 m ep e 曲。r m a n c ea n de m i s s i o nt a 唱e t t h ec o n c l u s i o nf r o mt h i st h e s i sc o u l db eu s e dt o o t h e rt y p eo fd i e s e le n g i n e k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e p e r f b r m a n c ee m i s s i o nc o m b u s t i o n f u e li n j e c t i o nc h a r a c t e rp i l o ti n j e c t i o np o s ti n j e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：闻镯 日期：伊“l f斗月创f ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描复制保存手段和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密文 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：f 习唱楚、 日期：伊e 年c 月日 指导教师签名：移 日期：弼年舻月以珀 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究意义 随着汽车产量和汽车保有量的逐年增加，由汽车尾气带来的环境污染，已引起 人民群众和环保部门的重视，世界各个国家均制订了严格的排放法规，以控制汽 车尾气排放，减少大气污染。我国自八十年代制定了相关排放法规以来，发动机 尾气排放己得到有效改善，但是由于我国的发动机制造与丌发能力较弱，特别是 在低排放技术方面的研发能力要明显落后于世界先进水平，因此随着汽车保有量 的增加，大气污染仍然日趋严重。为了尽快改变这种状况，我国将实施更为严格 的排放法规。直至与世界先进国家排放法规接轨，并制定了汽车产业政策，鼓励低 排放、高经济性柴油机的研究与生产【”。 另外，低排放在很大程度上意味着高经济性，特别是随着石油资源的日益枯 竭，节能环保的低排放柴油发动机研发的意义显得尤为重要。 1 2 国内外研究概况及预测 若想实现对柴油机高经济性、低有害排放的精确控制，就必须对柴油机进行 高精度、全工况的优化控制。影响柴油机排放、经济性的因素很多，而且相当复杂。 传统的机械控制已无法满足这种新的要求，由于电控柴油机具有控制精度高、响应 速度快、控制策略灵活、适应性强等特点，柴油机电控化就必然成为现代柴油机技 术的发展趋势【2 。3 1 。柴油机电控燃油喷射系统可以实现或近似实现理想的燃烧过程， 从而使车辆的排气污染与噪声污染降低，经济性、可靠性与驾驶舒适性提高。 目前通用的电控燃油喷射系统有：共轨燃油喷射系统、单体泵燃油喷射系统 等。纵观国际各大公司开发的柴油发动机，虽然上述各系统均有采用，但近年来 在新机型的开发上越来越青睐共轨系统。这是由于共轨系统的最大特点是由一个 华中科技大学硕士学位论文 单独的高压泵产生喷射压力，该泵不必根据喷油正时来同步驱动，从而使得燃油 喷射压力可以独立于发动机转速和喷射油量进行设定，并在一个共用轨道内进行 蓄压，共轨系统做到了把燃油压力的产生和燃油喷射从时间、地点上分离开来。 油轨内压力不受发动机转速的影响，也不受喷嘴开闭的影响，全转速范围内的喷 射压力可以自由设定和调节，并在喷射时保持压力不变，在某一特定的油量情况 下可进行最佳压力控制，使得燃油喷射规律的控制更具灵活性，可以使电控系统 自由设定的优势得以充分发挥【4 “。共轨系统对于排放的另一个贡献就是高的喷射 压力和可以实现喷射压力的优化，可以最大程度的降低微粒排放睁”。除此之外， 有试验研究证明，由于对燃烧的优化作用，共轨系统还可以大大提高发动机的性 能水平【8 】o 使用尾气后处理装置的机外净化虽然可以大幅度有效地降低排放，但这是建 立在有效地机内净化基础之上的，且在欧3 排放阶段，通常使用机内净化技术即可 满足要求【9 】o 对于机内净化来说，降低柴油机的排放，提高其经济性最主要的手段 是改善燃烧性能，这在实践中也得到了证实。柴油机燃烧受扩散燃烧过程控制，研 究发现燃烧室内的局部高温和浓混合气是产生氮氧化物和碳烟排放的主要原因【。 对于柴油发动机来说，其排气污染物在现阶段主要指的是：一氧化碳、炭氢化合 物、氮氧化物和微粒，因为二氧化碳的温室效应问题，在未来更严格的排放法规 中也将其视作污染物【”】。对于大多数的柴油发动机而占，氮氧化物和微粒的排放 开发是排放开发工作中的重中之重。改善燃烧性能的最主要方法涵盖了两个方面： 一是合理组织燃烧室内的进气气流与油束混合；二是采取燃烧室内燃油高压喷射， 并且对喷油规律进行优化，使喷油、雾化、燃烧具有一定程度上的自适应性；二 者完美的结合才能实现发动机的低排放与高性能【1 2 】。现在国际上采用的常用技术 为：采用电控柴油喷射、高压共轨技术实现喷射压力的提高及喷油规律的优化； 采用四气阀、油嘴中置、气道优化等技术来实现进气组织的优化；对发动机燃烧 华中科技大学硕士学位论文 进行分析和对发动机零部件进行优化匹配是使这些技术的优势充分展现的绝佳手 段1 1 3 14 1 。 喷射规律的优化：共轨系统的特点再加上电控喷射控制，可以把单一喷射分 割为预喷( 也可再细分为几个阶段) 、主喷、后喷( 也可再细分为几个阶段) 三 个主要阶段。大量研究和试验结果表明：预喷中喷入的燃油在缸内产生的冷焰反 应，使得燃烧室内的气体温度在主喷之前已经上升，当主喷的燃油喷入时，经过 很短的着火延迟即可着火燃烧，缩短了主喷滞燃期，使预混合燃烧量的比例减小， 从而使主喷之初时的压力急骤上升得到抑制，可以大幅度有效地降低发动机噪声 【1 5 - 。后喷的主要作用是激活尾气后处理装置，所以在欧3 排放阶段，有的发动机 上没有采用。在装有微粒捕捉器( d p f ) 的情况下，需要少量的燃油在排气过程中 燃烧进行主动再生，对氧化催化器和微粒捕捉器进行加温，提高其工作效率：若 为了氮氧化物的还原催化也要进行后喷，后喷的燃油不参与燃烧，而是用于产生 炭氢作为还原剂以激活氮氧化物催化器进行机外还原反应。另外，有试验研究表 明，在定氮氧化物排放量的条件下，适量的后喷不但对发动机经济性没有什么影 响，由于后喷燃烧烧掉了部分微粒，反而使得烟度排放和微粒排放有很大程度的 降低。喷射正时、喷射压力和喷射间隔角更是对发动机经济性和排放有着直接的 影响，不同工况所需的最佳供油提前角和喷射压力亦不尽相同。 进气的组织和优化：合适的进气组织是决定燃烧品质的另一关键因素，从气 道进入气缸内的气流形成了气缸内的大尺度涡流运动和小尺度湍流运动，国内外 发动机的研发机构很久前就开始了这方面的研究。带一定锥角喷入的油束要与空 气有良好的混合，必需要求进气有一定的涡流，但是涡流太强必会导致油束之间 的重叠和干涉，从而加大微粒排放。对于四气阀发动机来说，有两个迸气道，一 般一个为切向气道，另一为螺旋气道，各有其优势和不足，进气涡流比的优化是 进气组织优化的重要内容【1 7 - 1 8 l 。另外，进气压力和流量对排放更是有着直接的影 华中科技大学硕士学位论文 响，已是众所周知的观点。 仅有先进的发动机，没有高品质的燃料，排放根本无从谈起。我国现行的燃 油标准还不及国际上通用的二类燃油标准中对燃油规定的限值严格，特别是在硫 含量方面，与国际标准差距更大。我国目前商用燃油硫含量多在2 0 0 0 3 0 0 0 p p m ， 而欧洲目前市场上的燃油硫含量基本在3 0 p p m 以下。硫含量将直接影响到柴油发动 机的微粒排放，据研究表明：在欧洲汽车石油项目中已预计到硫含量从5 0 0 p p m 降 低到3 0 0 p p m 会使微粒排放降低4 7 ，对重型车进行的同本十三工况试验亦表明 采用硫含量为4 0 0 p p m 的燃油比采用硫含量仅为2 p p m 的燃油使的微粒排放会增加 一倍【1 9 l 。另外，试验研究表明芳香烃对炭氢化合物、氮氧化物以及微粒排放也有 影响【。 虽然在过去的几年中国内一些大型企业和高校已经开展了大量的柴油发动机 低排放研发工作，但由于受技术发展的制约，国内针对欧i i i 发动机产品的低排放 研究还很少，尤其是准备大批量投入生产的产品。目前，国内有少数几个企业或 研究所在进行欧i i i 发动机的低排放燃烧研究，其研究对象多半为引进或合资生产 的柴油机，但受技术和条件的限制，其研究工作距离工程应用阶段还有较大的差 距，总体上仍处于基础研究阶段。东风公司在欧i i 以前的产品上曾投入了大量的 人力、物力和资金开展低排放燃烧方面的研究，积累了丰富的经验，但那是在传 统机械泵的基础上进行的，与本课题所进行的研究还有很大的区别。 而对未来更严格的欧或其它超低排放标准，发达国家往往采用更高压力喷 射的高压共轨、多次喷射，废气再循环( e g r ) 、微粒捕集器、氧化催化转化器 等能够实现批量生产的技术，用来降低柴油机有害物排放，这些技术被认为是满 足未来更严格排放标准的有效措施【2 l 】。 随着中国公路交通业的发展，装备大功率柴油发动机的车辆将越来越迎合市 场的需求，因此东风汽车有限公司于2 0 0 2 年引进了雷诺商用车公司的1 1 升欧3 型柴 华中科技大学硕士学位论文 油机，以填补东风公司大马力重型柴油机的空白，增加东风重型柴油车在市场上 的竞争力。该发动机是雷诺公司投放于欧洲市场的成熟产品，东风公司虽然引进 了雷诺商用车公司发动机生产技术，但是还存在着零部件国产化及中国市场适应 性开发的难题，特别是影响发动机排放的功能零部件，如燃油喷射系统等，还面 临着二次丌发问题，要做到在维持现有功率甚至进步提高发动机功率的前提下 保证发动机排放满足欧3 水平，并且保证发动机有良好的可靠性。 本课题的研究背景为该发动机燃油喷射系统的二次开发。因中国市场燃油、 机油与欧洲市场存在着较大的差别，为保证燃油喷射系统工作的可靠性，并为该 机型排放达欧开发进行硬件方面的技术储备，燃油喷射系统的供应商为该发动 机重新开发了一套燃油喷射系统。该发动机在更换新的燃油喷射系统后，需要重 新进行标定和优化匹配，使排放能满足欧i i i 阶段限值要求。 1 3 本课题的工作 本课题的技术关键在于燃油喷射规律对排放影响的分析与研究上，因此主要 工作内容集中在理论分析和台架试验研究方面。主要试验研究内容为：燃油喷射 压力、正时对发动机性能及排放的影响；多重喷射特性对对发动机性能及排放的 影响，其中包括预喷正时与流量、后喷正时与流量。 另外，柴油机的排放标定工作是一项复杂的工程，若采用多参数正交试验法， 可能几年都不能完成，所以必须制定高效合理的标定流程和标定方法。因此，本 课题还将对柴油机低排放优化的标定方法进行摸索与探讨。 华中科技大学硕士学位论文 2 燃油喷射特性对柴油发动机性能及排放影响的理论分析 表征柴油发动机燃油喷射特性的参数为：喷射压力、喷射流量、喷射正时以 及多重喷射特性，每一特性参数均对燃烧产生明显的影响，进而影响到发动机性 能与排放。 2 1 柴油发动机排气污染物及其生成机理 柴油机的排气污染物主要包括：n o x 、h c 、c o 和微粒( p m ) 。由于柴油机 来说，h c 、c o 排放相对较少，一般情况下远低于法规限值，因此怎样有效降低 n o x 和p m 排放成为解决柴油机排放问题的关键。为更好的展开燃油喷射特性对 发动机排放影响的试验研究与讨论，有必要对n o x 和p m 的生成机理进行详细介 绍。 2 1 ，1 微粒( p m ) 2 1 1 1 微粒的主要成分 柴油机中的排气微粒是一种类似石墨形式的含碳物质，表面凝聚和吸附了相 当多的高分子量有机物，这些有机物包括未燃的燃油、润滑油和含碳化合物【”。 具体来说，微粒的成分由碳烟( s o o t ) 、可溶性有机成分( s o f ) 以及硫酸盐 ( s u l f a t e ) 3 部分组成。其中：碳烟占微粒组成的5 0 8 0 ，来源于扩散燃烧 2 0 】； s 0 f 主要组分来源于柴油和窜入燃烧室的机油 2 2 】；硫酸盐来源于燃油，主要与 燃油品质特性有关。尽管燃烧过程中起始生成的炭粒在后续过程中一部分又被氧 化掉了，但大量试验表明，柴油机的碳烟排放与气缸内碳烟生成的最大浓度成正 比【删，且碳烟排放是微粒排放的主体，因此要减少微粒排放，首先要考虑抑制碳 烟的产生。 2 1 1 2 碳烟的生成机理 华中科技大学硕士学位论文 从燃烧学角度来讲，一般认为碳烟形成的过程是：燃油中的烃分子在高温缺 氧的条件下热裂解，形成部分乙烯和聚乙烯，乙烯和聚乙烯在不断脱氢后，聚合 成为以碳为主的，直径2 n m 左右的碳烟核心，气体中的烃在这个碳烟核心表面不 断地凝聚，以及碳烟核心之间的凝聚，使得碳烟核心的表面增大，成为直径2 0 3 0 n m 左右的碳烟基元。至此，碳烟的质量已经基本确定。最后，碳烟基元堆积 成直径在1 u m 以下的微粒【2 ”。 气 体 温 度 k 0 o 20 ，4o 6 避薰空气系数x l 一乙娣和空气滢台气在燃烧嚣串燃瓷， 嚣力o 。l m p a 2 一魏烧相空气混合气在匿力童牛燃烧 鹾力类似于气缸压力； 3 一甲苯和氧的混合气在压力室中燃烧 器力o 1 m p a ， 图2 1 碳烟产生的条件 燃油中的烃分子在高温缺氧的条件下会热裂解，乙烯和聚乙烯不断脱氢产生 的条件也是高温和缺氧，这是由于柴油机混合气极不均匀，尽管总体上处于富氧 燃烧，但局部的缺氧还是导致上述过程的发生，最终导致碳烟的生成。有学者用 组成柴油的各种烃在压力室、压力管等条件下模拟碳烟的生成，得出了炭烟的生 成与温度及过量空气系数的关系【2 5 _ 2 w ，如图2 1 ，从中可以明显看出：高温缺氧是 碳烟生成的条件。 华中科技大学硕士学位论文 对于柴油机实际燃烧过程来说，碳烟大多是在扩散燃烧期燃烧向油束中心传 播时产生的，此时由于油束中心的油滴较大，且局部空燃比较小，因此与空气的 混合不好，且处于高温区域，因此容易在高温下裂解而形成碳烟。另外，一些燃 油喷雾会撞击到燃烧室壁面形成液态油膜，这时，火焰前锋如被液态油膜激冷， 亦符合碳烟产生的条件，因此也会产生碳烟。喷油将近终了时，由于喷油嘴的压 差较小，燃油油滴速率低，贯穿距短，是高份额碳烟的另一来源。喷油终了时， 一些燃油会从喷油嘴的喷孔容积压力室滴漏出来，也会增加未燃的碳烟【2 8 1 。 炭烟生成后在燃烧室内还有一个继续燃烧，导致其部分消失的过程，这取决 于已经形成的炭烟在燃烧后期的经历。在后燃期，随燃油喷射的结束，活塞已经 在下行过程中，燃烧已接近尾声，缸内气体温度开始降低，但是在温度高于碳反 应温度( 约1 3 0 0 k ) 的富氧区和湍流较强的燃烧区，碳烟可同氧或其它燃烧产物 反应，再次燃烧掉。与空气接触量少或所处区域温度低于碳反应温度区域的炭烟 将一直存在，并最终随排气排至发动机外，炭烟排出的最终量等于其生成量减去 其燃烧量。 图2 2 给出燃烧放热规律与碳烟生成及部分消失的过程，可以看出：从着火 到上止点附近的放热峰值一段对应的碳烟量很少，表明预混合燃烧只有极少量碳 烟生成。在随后的燃烧过程中碳烟数量迅速增多，而此阶段正是扩散燃烧阶段， 显然碳烟主要是在此阶段生成。在燃烧后期，因继续燃烧，碳烟总量有所减少【2 3 】。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = ；= = ；= = = = ：；= ；= = = = = = = = ；= = = = = = = = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = 一 2 1 2n o x ) j 。 f 、l 卜 放熬率 l 小k 厂 心耀 。 麴轴转角- 图2 2 碳烟生成及部分消失的过程 开 在各种氮的氧化物中，有n o 、n 0 2 、n 2 0 等多种成分，但主要的成分是n o 。 迄今为止，人们已经对n o 的生成机理进行了大量的研究，公认的是策尔多维奇 机理【2 9 3 0 】。该机理认为：柴油机排放中的n o 并非来自燃油的燃烧，而是来自氮 气与氧气的反应，它是在氧气过剩的情况下由于燃烧室的持续高温而形成的，在 膨胀和排气时有少量的分解，排到大气后遇氧形成n o ：和其它氮氧化物。策尔多 维奇认为在高温下o z 离解成o 所需要的能量较少，故反应先从0 开始。由此得 到一组反应方程，见公式2 1 。可以看出：两种反应都生成n o ，在第二式中正反 应的系数受温度影响很大，而逆反应为常数，因而温度越高，n o 生成也越多。 由反应式还可以看出，n 0 生成也取决于0 2 浓度。 蛾热攀与懿内碳爝涤整 华中科技大学硕士学位论文 0 2 希o + o反应速率常数( 渤3 加0 1s ) k l 7 6 1 0 1 3 e x p ( - 3 8 0 ) k 2 1 6 xl o l 3 k 3 6 4 1 0 9 te x p ( - 3 1 5 0 ，i _ ) k 4 1 5 x l o 擘t 援p ( - 1 9 5 ，i ) 公式2 1n o x 生成机理 综上所述，影响n o 生成的因素有三个，即温度、氧气浓度和燃烧时间。如 果燃烧温度很高，氧气很充分，而且有足够长的燃烧时间，则n o 生成浓度就会 很高，三者缺一，都会减少n 0 的生成。这也j 下是降低n o 的基本出发点。对于 柴油机而言，燃烧过程中喷射各区均可以生成n o ，其生成浓度与局部温度、局 部氮原子和氧原子的浓度、燃烧产物的冷却速度和滞留时间( 即高温下所占燃烧 循环的时间量) 等因素有关。 从理论上讲，柴油机n o x 排放的形成是无法避免的，但通过控制燃烧过程的 最高温度和富氧空气在高温中的滞留时间可加以限制。 2 1 3n o x 排放和碳烟排放的关系 在柴油机的燃烧过程中，由于燃油分布的不均匀，既有炭烟的生成，也有n o x 的生成。图2 3 为柴油机形成炭烟时的温度和过量空气系数条件，以及在上止点 附近时，柴油机中各种过量空气系数的混合气在燃烧以前及燃烧后的温度。很明 显，过量空气系数小于0 ，5 的混合气，经过燃烧后必定产生炭烟。在图上标出了各 种温度和过量空气系数条件下，燃烧o 5 m s 以后的n o x 浓度，若想使燃烧后炭烟 和n o x 都很少，则混合气的过量空气系数应在0 6 0 9 。空气量过大，则n 0 x 排放量增加：空气量过小，则炭烟排放增加。这就是柴油机排气中，炭烟和n o x 排放规律不同，而又相互矛盾的变化趋势( 剪刀差) 的原因1 2 叭。 掰 砌 o o n n n p 娥 挝一一斟 的 谢 q 温 度 k n u 脚 5 0 3 0 0 0 i o 5 0 0 ；立芝竺警压力戡影响柴油发动机的性能及排放，燃油喷射压力黼越利 黧竺空裟余镍黻觥导致燃烧压力拣燃烧温磊蠢 = 辄从触n o 埔姗赢嘲降低炭烟生蝇棚淼篡： 知 1 3 1 l 、。1 n m l w = a 一口l 。 持i 且! ! 兰竺竺正时同样直接影响柴油发动机的性能及排放，燃油喷射提前角加大， 黧：! 竺篓成的可燃混合气数量增加，随活塞继续上行，在孟焉：? ： 黧竺? 篓肝附僦熵燃速主谢篡淼 度和压力升高一致n 螂奶；剧烈的燃烧亦会促进后薹巍磊筹 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = ；= = ；= = = = ； ；= = = ；= = ：= = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = 气的混合，使得燃烧变得充分，从而使得炭烟排放降低，燃油消耗率降低。 即：燃油喷射压力提高、喷油正时提前，会使燃烧压力升高、n 0 x 排放增加、 碳烟排放降低、燃油消耗率降低。 2 2 - 2 多重喷射 相对于传统机械喷油系统的单次喷射，电控共轨系统使得多重喷射成为了可 能。多重喷射包括：预喷( 可能有一次或多次) 、主喷、后喷( 可能有一次或多 次) 。 在传统意义的单次喷射( 在多重喷射时称为主喷) 之前，增加个或两个小 油量的喷射，这个小油量的喷射称为预喷。离主喷较近的预喷称为第一次预喷， 远离主喷的预喷称为第二次预喷；在主喷之后，增加一个或两个小油量的喷射， 这个小油量的喷射称为后喷。离主喷较近的后喷称为第二次后喷，远离主喷的后 喷称为第一次后喷。 表征喷射特性的参数为：喷射正时、喷射压力以及喷射油量。一般情况下， 考虑到燃油喷射系统的控制和响应精度，预喷、后喷压力与主喷喷射压力相等， 单位b a r ；喷射正时以曲轴转角( 单位a ) 或间隔时间( 单位“m ) 来表示；喷 射浊量以循环供油量来表示，单位m g c y c 。 2 2 2 1 第一次预喷 第一次预喷作为降低柴油发动机燃烧噪声的有效措施，在近些年来被广泛地推 广应用。然而，第一次预喷在降低燃烧噪声的同时，由于其对燃烧特性产生的影 响，对发动机排放及燃油经济性亦产生了明显的影响。直喷式柴油机的燃烧过程 可以分为四个阶段，分别为：滞燃期、急燃期、补燃期与后燃期，在本文仅就与 预喷有关的滞燃期与急燃期展开讨论。 华中科技大学硕士学位论文 2 ，2 1 2 1 1 滞燃期内形成的可燃混合气 从燃油喷入气缸的喷雾过程开始到火焰形成之间的过程称之为滞燃期，是一 个非常复杂的物理和化学过程，包括了燃油组分以及中间产物非常复杂地聚合、 分解和氧化的交替变化。对于滞燃期，多是从物理和化学两方面做分析研究。其 物理过程主要是：燃油喷束的分裂和油雾形成、液态燃油的加热和蒸发、燃油蒸 气向周围空气扩散，形成可燃混合气，称之为物理延迟；化学过程是：炭氢燃料 的重组分分解为轻组分、分解的组分与空气中的氧进行化学反应，称之为化学延 迟。 随着燃油的不断喷入，滞燃期内的物理过程和化学过程交替进行，没有明显 界限。在焰前准备的早期，由于化学反应量小，难以产生可以测出的明显燃烧现 象。因此，滞燃期早期阶段是形成可燃混合气的物理过程占主导地位，很快则以 引起自燃的化学反应过程为主。 无论是对于物理过程还是化学过程，混合气的压力和温度均是直接影响滞燃 期反应过程特性的主导因素。滞燃时间随温度升高而减短，这是由于温度升高利 于燃料的蒸发并利于燃料的分解。滞燃时间亦随压力升高而减短，这是由于压力 增加后混合气密度增加，分子运动平均自由距离减短，反应物分子间碰撞率增加， 从而使焰前反应速度加快，化学延迟缩短；混合气密度增加后，又使得传热加强， 缩短了传热和汽化时间，物理延迟办可缩短。 此外，供油提前角、压缩比、发动机转速、涡流强弱、喷雾压力与喷孔直径 等间接因素亦将影响柴油机的滞燃时间，在此不进行过多讨论。 2 2 ，2 1 2 滞燃期品质对急燃期燃烧特性的影响 滞燃期内形成的可燃混合气品质直接决定急燃期燃烧特性，进而直接影响发 动机的排放和性能。这是由于在滞燃期内喷入气缸的燃料几乎一起燃烧，而且是 华中科技大学硕士学位论文 集中在活塞靠近上止点、气缸容积较小的情况下燃烧，导致气缸中温度、压力升 高的速率特别快。因此，滞燃期内形成的可燃混合气越多，则急燃期燃烧速率越 高，燃烧温度也越高，放热率增大，利于燃油经济性的提高，但燃烧温度的升高 必将导致n o x 排放的升高。 2 2 2 1 3 低排放、高经济性燃烧对燃烧特性的要求 滞燃期结束后，燃烧进入急燃期，急燃期的燃烧品质直接决定发动机的排放 与经济性。对于柴油机来说，主要排气污染物为氮氧化物和微粒，其生成机理分 别为高温富氧和高温缺氧。因此降低燃烧温度，提高雾化均匀性可以降低氮氧化 物排放和微粒排放，高经济性亦要求有好的雾化均匀性。降低燃烧温度需要在滞 燃期内喷入的燃油少或是滞燃期尽可能的短，提高雾化均匀性则要求滞燃期长或 在滞燃期内形成更多的可燃混合气，这是一对矛盾。 2 2 2 1 4 第一次预喷对燃烧特性的影响 第一次预喷距主喷之间的曲轴间隔转角一般仅有十来度，预喷的燃油在缸内 产生的冷焰反应，使燃烧室内的气体温度和压力在主喷射之前就已经升高，当主 喷的燃油喷入气缸后，再加上预喷的引燃作用，经过很短的着火延迟即可燃烧。 在这种条件下，既可以减少着火极限喷油量，又可缩短主喷滞燃期，减少了主喷 滞燃期内形成的可燃混合气数量，使主喷变得柔和，燃烧温度降低，放热速率低 且集中在上止点稍后，缓减了主喷初期缸内混合气迅猛燃烧的势态【3 3 倒】。同时， 由于燃烧室内的气体温度和压力在主喷射之前就已经升高，利于燃油的雾化和蒸 发，还可以在很大程度上提高燃油雾化均匀性。即：预喷在缩短主喷滞燃期，使 主喷急燃期燃烧变得柔和的同时，还可很大程度七减少由于主喷滞燃期缩短对油 气混合均匀性带来的不利影响，甚至使得混合均匀性有所提高，缓解了上文中所 提及的雾化均匀性和滞燃期长短之间的矛盾，给燃油经济性、n o x 排放以及碳烟 排放的折衷优化提供了更广阔的空间。 华中科技大学硕士学位论文 必须对预喷正时和预喷油量进行优化，方可使预喷的作用得以体现。从柴油 机燃烧特性角度来说，合适的第一次预喷油量选择的原则为：有足够的预喷燃烧 火焰引燃主燃烧即可，预喷油量不可太多，因为预喷燃烧所产生的能量太大，将 会导致主喷油量着火延迟后太高的燃烧速率，即：在满足引燃要求的前提下，预 喷油量要尽可能的少：在选择预喷油量时当然还要考虑燃油喷射系统对小油量喷 射控制精度的硬件特性。合适的第一次预喷间隔选择的原则为：预喷和主喷之间 的时问间隔要略小于预喷燃油的着火延迟，以发挥预喷的引燃作用，在此基础上 继续增加预喷间隔会使燃烧噪音加大，n 0 x 排放增加；预喷和主喷之间的时间间 隔太小，则使得预喷滞燃期和主喷滞燃期重叠期加长，不能有效地发挥预喷的作 用f 3 5 柳。 第一次预喷的结果是是为主喷提供压力和温度，并起到引燃作用，将会对发 动机产生以下影响： 一主燃烧着火延迟缩短； 一降低燃烧噪声； 一降低主燃烧的燃烧速率； 一对性能及排放的影响取决于预喷特性参数的优化。 2 2 2 2 第二次预喷对燃烧特性的影响 因本文仅就第一次预喷对发动机性能及排放的影响展开试验研究与讨论，故 在此不对第二次预喷做过多讨论，只简单介绍其起作用的机理。 第二次预喷一般在上止点前三四十度，预喷的燃油在第一次预喷或主喷之前 已完成燃烧过程，在主喷滞燃期内，缸内温度和压力虽有一定程度的升高，但对 主燃烧的引燃作用要明显低于第一次预喷产生的影响。然而此时缸内的0 2 浓度由 于第二次预喷燃烧的发生而变得稀薄，c 0 2 浓度有所升高，从而抑制了主喷燃烧 速率，起到了机内e g r 的作用。需要指出的是：柴油机燃烧模式过量空气系数大 华中科技大学硕士学位论文 于l ，第二次预喷燃烧虽消耗掉一定数量的0 2 ，但主喷燃烧的平均过量空气系数 仍大于1 ，只要雾化均匀，混合充分，并不会导致炭烟的过多生成。 2 2 _ 2 3 后喷 远离主喷的后喷一般在使用尾气后处理装置后才启用例，因此本文仅就靠近 主喷的后喷( 下文简称“后喷”) 展开讨论。 上文中提到，碳烟在生成后还有一个在后续燃烧过程中继续氧化的过程。在 主喷后，合适的时刻添加后喷，正是加剧这种已生成碳烟的继续氧化，可以有效 地减少排气中的炭烟排放。后喷主要用来实现喷油终了之后的碳烟燃烧优化。 根据发动机工况，确定合适的后喷喷射f 时和喷射油量才能有效地降低微粒 排放，又不至于使燃油经济性恶化。合适的喷射正时应该是：主、后喷之间的间 隔要能保证主喷结束后，有足够的未燃空气充斥主喷喷油结束前的喷油区域，但 也不能太迟，以免因后燃严重对燃油经济性不利并导致碳烟排放的再度升高。合 适的喷射油量应该是：若想后喷对碳烟的继续燃烧有明显作用，这就需要喷入的 燃油能和未燃空气进行良好的混合，后喷喷油速率必须高，这就需要足够的油量 以获得高的喷油速度，但过大的后喷油量又会因为未燃空气的不足导致烟度排放 的再次升高和燃油消耗率的再次升高。 后喷的作用是“消烟”， 将会对发动机产生以下影响： 一减少主燃烧扩散燃烧阶段已形成的碳烟； 一后喷燃烧所产生的压力远低于主燃烧，不会对最大燃烧爆发压力产生影 响： 一对性能及排放的影响取决于后喷特性参数的优化，但后喷燃烧必将产生一 定量的n o x 。 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = = = ：= = = = = = = = = ：= = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = j = = = = = = = ：= ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 3 燃油喷射特性对性能及排放影响的试验研究与讨论 在完成燃油喷射特性对发动机性能及排放影响的理论分析后，在试验样上机进 行燃油喷射特性对性能及排放影响的试验研究，以验证理论分析的准确性，并为 整机标定提供初步数据基础。 3 1 试验样机 试验样机主要特性参数与特征如下： 缸数及布置形式：直列6 缸 排量：1 1 1 升； 压缩比：1 6 4 ； 缸径：1 2 3 m m ： 冲程：1 5 6 m m ： 额定功率：3 0 3 k w 1 9 0 0 r m i n ； 最大扭矩：1 8 7 0 n m 1 2 0 0 r m 溉 进气系统：废气涡轮增压空冷； 燃油喷射系统：电控共轨。 3 2 燃油喷射系统 3 2 1 燃油喷射系统 试验样机采用的是德国b o s c h 公司生产的高压共轨燃油喷射系统( c r s ) ，该 类型燃油喷射系统自1 9 8 8 年面市以来，现已向d a i m l e r c h r y s l e r 、p s a 、 m a n 、b m w 、r e n a u l 、i c o 、c u m m i n s 等汽车及发动机厂家大批量供货， 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = = = = ；= = = ；= ；：；= = ；= = ；= = = = = ：= = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = = = = = = = = = 在2 0 0 3 年累计销售已超过1 0 0 0 万套。b o s c h 高压共轨系统示意图如图3 1 所示。 图3 1 电控高压共轨系统 从图3 1 可以看出，高压共轨燃油喷射系统主要由高压泵、限压阀、油轨、 油轨压力传感器、限流器、喷油器、发动机转速传感器、相位传感器、增压压力 传感器、冷却液温度传感器、燃油温度传感器、进气温度传感器、进气质量流量 计( 和e g r 装置配套) 、电子油门( 加速踏板) 和e c u 组成。 高压泵、油轨压力传感器和e c u 形成一个油轨压力的闭环控制回路。e c u 将测得的油轨压力实际值与根据发动机转速和喷油量而定的设定值相比较，然后 据此调整高压泵计量单元电磁阀使得油轨中的压力偏差保持至最小i 6 1 。 喷油器上的高速电磁阀通电后喷嘴进行开启过程，开启延迟结束后开始喷油， 高速电磁阀断电后喷嘴进行关闭过程，关闭延迟结束后停油。e c u 根据油轨压力 传感器测量油轨压力，通过高压泵的压油单元和电控压力调节阀、限压阀按照设 定的压力来调节油轨内的燃油压力。发动机起动运转后压力建立很快，一旦压力 建立到一定范围后，油轨内的燃油压力不受发动机转速的影响，也不受喷嘴开闭 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = # = = = = = = ；= ；= = ：；= ；= = ；= = = = = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = ；：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = 的影响，喷油压力脱离于发动机转速的可控性是共轨系统最突出的特征和优点。 全转速范围的喷射压力可自由调节并在喷射时压力保持不变，在某一特定的油量 下可进行最佳压力控制。低速的喷油压力也比较高( 起动过程中一般发动机拖带 2 转就能达到2 0 0 4 0 0 b a r ) ，克服了泵类供油系统低速喷油压力低的缺点( 增压 机在低速时空气量不足，泵类供油系统为了追求大扭矩，在低速时往往多喷油， 此时喷油压力低，雾化不良，引起冒黑烟) 。总之，电控共轨系统可以实现高的喷 射压力和喷射压力的优化，可以最大程度地降低微粒排放。 3 2 1 喷油器 喷油器是共轨柴油机的关键性能件，电磁阀需要有极快的响应速度，以满足 多次喷射正时的精度要求。喷孔的形状和位置要有绝对的高精度，以达到精确的 喷油量和要求的喷雾场。图3 2 、3 3 为喷油器结构和工作简图，当喷油器电磁阀 磁芯不通电时，珩铁关闭两位两通阀的回油量孑l ，油轨内的压力燃油通过两位两 通阀的进油量孔进入阀控室并作用在阀控杆上，阀控杆下压针阀关闭喷嘴；当电 磁阀的磁芯通电时，珩铁升起，两位两通阀的回油量孔迅速回油，阀控室压力迅 速降低，针阀锥面在高压油的作用下使阀控杆上升，克服针阀弹簧的